Nghiên cứu về OFDM và ứng dụng vào truyền số mặt đất DVB-T

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video,thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển . Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây và tạo nên “ làng thông tin toàn cầu “.

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này. Cũng vì những ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong môi trường đa đường, nên trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, em đã ứng dụng kĩ thuật OFDM vào trong truyền hình số mặt đất DVB_T.

Nội dung của đề tài gồm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu về kĩ thuật OFDM

Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống OFDM , các phương thức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM và chỉ rõ những ưu nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM.

Chương 2: Trình bày tổng quan về ước lượng kênh và vài phương pháp ước lượng kênh.

Chương 3: Trình bày vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM bao gồm đồng bộ thời gian và đồng bộ tần số.

Chương 4: Giới thiệu tổng quan về hệ thống truyền hình số mặt đất, các kiểu truyền, số lượng vị trí và nhiệm vụ các sóng mang, điều chế tín hiệu.

Chương 5: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM. Mô phỏng hệ thống OFDM.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 89 trang tài liệu này.

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè .

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy ThS.Dương Hữu Ái và các Thầy Cô trong Khoa đã giúp em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp này .

Đà Nẵng, Ngày 21 Tháng 5 Năm 2013.

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Ngọc Anh

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Để đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, chúng ta hãy làm quen với những khái niệm ban đầu như: Hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao…Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở. Cuối cùng, chúng ta đánh giá ưu khuyết điểm của kỹ thuật OFDM.

1.2 Sơ lược về OFDM

OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.

Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.

1.3 Các khái niệm liên quan đến OFDM

1.3.1 Hệ thống đa sóng mang

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng

mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM.

Hình 1.1[7] Cấu trúc hệ thống đa sóng mang

1.3.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM

Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian.

…

f1 f2 fn f

Hình 1.2[7] Ghép kênh phân chia theo tần số

Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.

1.4 Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM

1.4.1 Trực giao

Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có

tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: fn(t), n=0, 1, …, N-1, sóng mang con này sẽ trực giao khi:

t1 t t2 . Tập

t2 f (t) f * (t)dt 0,

n m

[7] (1.1)

t n m



K,

n m

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là:

fn (t)  exp( j2fnt)

[7] (1.2)

1

với j và

fn 

f0 nf

f0 n / T

[7] (1.3)

với f0 là tần số offset ban đầu.

Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự. Điều này phù hợp với kết quả tính trực giao vừa được chứng minh ở trên. Hình 1.3 minh hoạ cấu trúc của một tín hiệu OFDM có bốn sóng mang con.

Hình 1.3[7] Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con

Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.

Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là sinc hay sin(x)/x. Hình 1.4 mô tả phổ của ký tự OFDM có 4 sóng mang con là tổng hợp phổ của 4 hàm sinc.

Hình 1.4 [7] Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang

1.4.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT

Nếu gọi di là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời ký tự và fc là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM bắt đầu tại t=ts có thể được viết như sau:

N 1

s(t)  Re2 d

f

i  0,5 t t

, t

t t

T [20] (1.4)





iN

iN / 2 expj2 c



T s

s s







s(t)  0 , t ts t ts T

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế ký tự OFDM trên như sau:

N 1

s(t) 



iN

diN / 2

expj2





i t t T s

, t



s

t ts T

[20] (1.5)

s(t)  0 , t ts t ts T

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cos và sin của tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng.

data

Serial to parallel

expjNt t T 

OFDM

expj(N  2)t t T 

signal

Hình 1.5[20] Bộ điều chế OFDM

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.5) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ j được nhân với

s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM

d j N / 2

(được nhân với hệ số T), còn đối với các sóng

mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng không.



ts T 

N 1

j2

i

expj2

t ts

diN 2 expj2T t ts dt

N 1

ts 

t T

iN 





i j

i

diN 2

expj2

t 

T t ts

dt



d j N 2T

[20] (1.6)

Tín hiệu OFDM được mô tả trong (1.5) thực tế không khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của N ký tự QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.7), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n.

s(n) d expj2in 

N 1

i 

i0 

[20] (1.7)



1.5 Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ

Với một băng thông cho trước, tốc độ ký tự của OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho N sóng mang con làm cho tốc độ ký tự thấp hơn N lần so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ ký tự thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường.

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự. Khoảng thời bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn. Hình (1.6) minh hoạ việc chèn thêm khoảng

thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là TS T , với TS là chiều dài tổng cộng

của ký tự, là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T khoảng thời gian thực hiện biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM.

Copy

IFFT

i IFFT



TFFT

Thời gian

Symbol N-1

Symbol N

Symbol N+1

Khoảng thờ bảo vệ

Ngõ ra IFFT

Khoảng thờ bảo vệ

Hình 1.6[22]Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời gian ký tự để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau. Nếu nó không ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con không có dạng sinc chính xác.

Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu kế tiếp. Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của kênh vô tuyến. Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ở những thời điểm khác nhau. Hình (1.7) minh hoạ ảnh hưởng này. Việc thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm xuống. Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn độ trải trễ của kênh vô tuyến.

Phía thu

Dữ liệu

Không nhiễu

Phía thu

Bảo vệ

Symbol OFDM

Nhiễu đa đường

Hình 1.7[22] Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI

Chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của CP tăng, trong khi đó năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng lượng của một sóng mang nhánh là:

t 2

TS 

[7] (1.8)

Và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là:



SNRloss 10lg1T[7] (1.9)

S 

Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều. Thông thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR chủ yếu là do

yêu cầu loại bỏ xuyên nhiễu ICI và ISI (nhỏ hơn 1 dB khi

 / TS

 0,2 ).

Trong hệ thống OFDM, mỗi sóng mang nhánh có thể được biểu diễn:

sn,m t xn,m exp j2fnt [7] (1.10)

Trong đó xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang nhánh thứ n trong kí tự OFDM thứ m có giá trị khác 0 trên [(m -1)TS, mTS), với TS là chu kỳ tín hiệu; fn là tần số sóng mang nhánh thứ n.



Biểu diễn tín hiệu dưới dạng trung bình của các sóng mang phức liên tục theo thời gian, với m cho trước:

s t

1 N 1 x N n0

n,m

expj2f

t[7] (1.11)



Trong đó, fn = f0 + nf với f0 là tần số gốc và f là khoảng dãn cách giữa các sóng mang. Không mất tính tổng quát, gán f0 = 0. Thay giá trị fn và lấy mẫu sm(t) tại tần số 1/T, ta có:

s kT 

1 N 1 x N n0

n,m

expj2nf t[7] (1.12)

Ta chọn N mẫu tín hiệu trên một chu kỳ tín hiệu, và sử dụng quan hệ t = NT, so sánh phương trình trên với dạng tổng quát phép biến đổi IDFT:

gkT 

1 N 1 G

n  expj2nf t [7] (1.13)

N NT 

n0 

Chúng ta thấy rằng, hàm phức xn,m theo biến n chính là định nghĩa của tín hiệu được lấy mẫu biểu diễn trong miền tần số và s(kT) là dạng biểu diễn trong miền thời gian. Do mối quan hệ giữa hai phép biến đổi DFT và IDFT:

2n

G[n]=G e j[7] (1.14)

Nên phương trình (1.13) và (1.14) tương đương với nhau, nếu:

f 1 1 [7]

NT 

Điều kiện này giống với điều kiện về tính trực giao giữa các sóng mang nhánh. Như vậy, để có thể duy trì tính trực giao hệ thống OFDM có thể sử dụng phép biến đổi DFT. Đây là một đặc điểm rất quan trọng vì hai lý do chính sau: Thứ nhất, DFT là một dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy chúng trở nên tuần hoàn cả trong miền thời gian lẫn tần số. Phép biến đổi này cùng với việc chèn thêm các dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi kí tự OFDM tuần hoàn đã giúp cho việc thực hiện tích chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh trở nên dễ dàng hơn. Ưu điểm thứ hai của việc sử dụng DFT là phép biến đổi này có thể dễ thực khá đơn giản và hiệu quả cao bằng thuật toán FFT.